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GB 31241-2014《便携式电子产品用锂离子电池和电池组安全要求》标准解读
2015-07-29     来源:日用电器    作者:张思瑶 黄鲲 周伟健    浏览:2060    评论:2        
导读:摘要:GB 31241-2014《便携式电子产品用锂离子电池和电池组 安全要求》将于2015年8月1号正式实施,其是关于便携式电子产品用锂离子电池和电池组安全要求的首个强制标准,该标准在电安全、环境安全、保护电路以及系统

摘要:GB 31241-2014《便携式电子产品用锂离子电池和电池组 安全要求》将于2015年8月1号正式实施,其是关于便携式电子产品用锂离子电池和电池组安全要求的首个强制标准,该标准在电安全、环境安全、保护电路以及系统保护电路等方面对锂电池和电池组做出安全要求。本文从定义、送样要求以及各章试验要求进行标准解读。

关键词:锂离子电池和电池组;便携式电子产品;安全要求

近年来,随着科技行业的快速发展,便携式电子产品持续火热,作为电子产品必要配件之一的锂离子电池和电池组的市场需求也在高速增长。随之而来的锂离子电池的安全问题也日益凸显。我国是锂离子电池生产大国,但长期以来对该产品的安全监管不太严格,此前也没有发布任何强制性法规或标准。因此,作为锂离子电池和电池组的首个强制性国标GB 31241-2014《便携式电子产品用锂离子电池和电池组 安全要求》的发布备受关注。GB 31241-2014于2014年12月5号发布,将于2015年8月1号正式实施,相信随着该标准的强制实施,对于提高锂离子电池安全质量水平,提升电子产品的安全性和消费者安全保障水平,优化锂电池产品的材料、工艺、设计和管理,促进锂离子电池行业良性健康发展等方面都有着重要的意义。

1 标准解读

1.1 定义解析

该标准的适用范围是便携式电子产品锂离子电池和电池组,便携式电子产品在标准中定义为不超过18Kg的预定可由人员经常携带的移动式电子产品,明确提出了便携式电子产品的重量限制。

锂离子电池(Lithium ion cell)指含有锂离子的能直接将化学能转化为电能的装置。该装置包括电极、隔膜、电解质、容器和端子等,并被设计成可充电。从定义可以看出,锂离子电池为最基本的电化学单元,可以由一个或多个串联或并联组成、也是行业内俗称的电芯。

锂离子电池组(lithium ion battery)指由任意数量的锂离子电池组合而成准备使用的组合体。该组合体包括适当的封装材料、连接器,也可能含有电子控制装置。从定义可以看出,锂离子电池组是可以准备直接使用的成品电池组。

同时,也定义了用户可更换型电池组(user replaceable battery),即应用于便携式电子产品中且允许用户直接更换的锂电池组和非用户可更换电池/电池组(non-user replaceable cell./battery),即内置于便携式电子产品中且不允许用户直接更换的锂离子电池或电池组。本标准中针对这两种类型的电池和电池组有不同的测试项目和送样要求,因此需要准确区分电子产品中锂离子电池和电池组的更换方式。

1.2 试验顺序及送样要求

电池样品在进行该标准测试前,要先进行两个充放电循环,其实际容量必须大于或等于其额定容量。

每个试验项目如无特殊说明均为3个。根据锂离子电池和电池组的更换方式和保护方式不同,样品数量要求和测试章节也不同,各种类型电池和电池组送样及测试章节如表1所示。

各种类型电池和电池组测试流程如图1及图2。

1.3 锂离子电池和电池组的一般安全要求

该标准的第五章介绍的是对锂离子电池和电池组一般安全要求,在这里需要提醒广大锂电池厂商注意的是,本标准对标识和警示说明、规格书以及安全关键元器件都有相应的要求。相比于以往发布的电池国家标准如GB/T 18287-2013等,本标准的要求严格很多。

标识和警示说明的要求为电池的本体上必须标注产品名称、型号、额定容量、充电限制电压、正负极性、制造商或商标。电池本体或最小包装必须有中文警示说明。且标识和警示说明必须通过耐久性测试。

电池规格书上必须有安全工作参数,包括温度范围、电压范围和电流范围等参数,这些参数是电池安全工作条件也是在该标准的电池和电池组的安全测试的关键参数。所以锂电池厂商必须根据产品特性如实提供相关安全工作参数。避免出现虚标参数而导致测试不通过的情况出现。

锂电池和电池组的安全关键元器件(起保护作用的元器件),如正温度系数热敏电阻PTC、热熔断体等应符合该标准的相关测试要求,或者符合有关元器件的国家标准、行业标准、或其他规范中与安全有关的要求。所以,锂电池厂商尽量选取已经获得相关认证或通关相关检测的关键元器件,以提高该标准的测试通过率。

1.4 电安全、环境安全、保护电路和系统保护电路试验

1.4.1 锂电池电安全试验和环境安全试验

该标准的第六章是锂电池电安全试验,包括常温外部短路、高温外部短路、过充电和强制放电四个测试。第七章是电池环境安全试验,包括低气压、温度循环、振动、加速度冲击、跌落、挤压、重物冲击、热滥用和燃烧喷射九个测试。这些试验项目与锂电池的现行主流标准如IEC 62133、UL 1642、UN 38.3和GB/T 18287等的相关试验方法和试验条件基本相同,都是针对锂电池的常规安全试验。

1.4.2电池组环境安全试验

该标准的第八章是锂电池组环境安全试验,包括低气压、温度循环、振动、加速度冲击、跌落、应力消除、高温使用、洗涤和阻燃要求等九项试验。

其中,洗涤试验是该标准独有的一项试验,其是模拟手持式电子产品或置于衣物口袋中携带的电子产品随衣物一同在洗衣机中洗涤的情况。该试验对锂电池组安全性能要求较为苛刻,也是一项颇具争议的试验。很多厂商担心无法通过该项试验。但是该标准也有说明如果在电池本体增加相关警示说明如“电池浸水后禁止使用”,可以免做该项测试。因此,增加警示说明应该是确保通过该项试验最简单有效的方式。而消费者在首次购买产品时需仔细阅读产品规格书和使用说明,一般而言,除非特别用途的产品用锂离子电池, 严禁将电池放入清洁器具中洗涤。

阻燃要求是针对充电限制电压和最大充电电流或最大放电电流的乘积超过15VA的电池组,其外壳、PCB板、导线和绝缘材料都要采用相应等级的阻燃材料。

阻燃材料的V-0、V-1、V-2级燃烧特性是按照GB/T 5169.16中的试验方法(50W水平与垂直火焰试验方法)进行测试,主要考察样品的燃烧时间和燃烧滴落物。导线阻燃性的试验方法则是采用GB/T 5169.5针焰试验方法并作了部分修改进行测试。锂电池组的绝缘材料包括了绝缘塑套、包封料(如高温胶带、封边胶带、胶布)包封胶、滴胶系列、绝缘纸、牛皮纸、橡胶发泡制品(如EVA泡棉胶带、绝缘漆等,所有绝缘材料均应满足标准对绝缘材料要求的阻燃等级。

1.4.3 电池组安全试验

该标准的第九章是针对电池组电安全试验,一共有过压充电、过流充电、欠压充电、过载、外部短路、反向充电和静电放电八项试验。主要模拟电池组在滥用和错误使用下,其安全性能如何,电池组是否出现起火、爆炸、漏液等安全问题。

该章的测试对象比较特殊,只适用于自身带有保护电路的电池组,不适用于自身不带有保护电路但在其充电器或由其供电的电子产品中带有保护电路的电池组。而且对于自身带有保护电路的电池组,如果其保护电路可以通过第十章电池组保护电路安全要求的测试,那么进行该章的测试可以保留保护电路。如果不能通过第十章测试,则进行该章测试时必须移除保护电路。所以,如果是带保护板测试,这些测试相比不带保护板测试而言是相对容易通过。

1.4.4 电池组保护电路安全要求

该标准的第十章只适用于自身带有保护电路的用户可更换型电池组,主要考察保护电路的可靠性,因此,该章的测试对象可以是带保护电路的电池组也可以是电池组的保护电路。

该章一共有过压充电保护、过流充电保护、欠压放电保护、过载保护、短路保护以及耐高压六项测试。前五项测试是样品分别进行过压充电、过流充电、欠压放电、过流放电以及短路,相关保护电路动作后静止1min,以此为一个循环。共循环500次,每次循环相关保护电路应都有动作。耐高压是样品施加一个较高电压,恒压充电24h,保护板应仍能动作并且禁止充电。

这里以欠压放电保护为例,用实测循环曲线分析该测试项目。测试样品是带保护板的电池组,由两只18650电池串联组成。额定电压为7.4V,容量是2600mAh。电池组的欠压保护电压和放电截止电压均为是4.8V。标准放电电流是400mA。图3是欠压放电循环500次的循环曲线。图4是500次循环曲线的局部视图。

图3和图4中红色线条是电流线,绿色为电压线。观察图中箭头所示,电池组在放电过程中,电压线出现陡降现象,电流线为0,此时可判断电池组保护板动作切断电路。

1.4.5 系统保护电路安全要求

该标准的第十一章试验适用于自身不带保护电路但在其充电器或由其供电的电子产品(含其配件)中带有保护电路的电池组或电池。
  该章试验的样品为由上述电池或电池组供电的电子产品,并且是在取出电池或电池组的状态下进行。

该章一共有充电电压控制、充电电流控制、放电电压控制、放电电流控制以及充放电温度控制五项测试。分别测试电子产品在正常工作条件以及单一故障条件下,其输出的充电电压、输出的充电电流、放电的最低电压、放电的最大电流以及充放电停止时的温度。并要求均不能超过电池制造商提供的规定值。图5为正常条件及单一故障条件下,充电电压及电流测试的示意图。图6为正常条件及单一故障条件下,放电电压及电流测试的示意图。

第十二章为一致性要求,目前还未有相关试验发布。

2 小结

相比于锂电池主流标准如国内的GB/T 18287-2013《移动电话用锂离子蓄电池及蓄电池组总规范》和国际上的IEC 62133:2012,Secondary cells and batteries containing alkaline or other non-acid electrolytes -Safety requirements for portable sealed secondary cells,and for batteries made from them, for use in portable applications,GB 31241在适用范围以及相关要求上还是存在很大差异。

GB/T 18287的适用范围较窄,只针对移动电话用锂离子电池。而且GB/T 18287对于锂电池安全要求也只是针对锂电池本身,不包括电池组保护电路以及系统保护电路的安全要求。同时GB/T 18287 不仅有安全要求也有对锂电池性能(如容量)方面的要求。

IEC 62133的适用范围是便携设备用密封二次电池,不仅针对锂离子电池还包括了镍电池。它也是只针对二次电池本身的安全要求,不包括电池组保护电路以及系统保护电路的安全要求。但是IEC 62133对锂电池的运输安全有要求,要求锂电池必须通过UN 38.3测试。

综上所述,GB 31241-2014《便携式电子产品用锂离子电池和电池组 安全要求》对于便携式电子产品用锂电池和电池组有着完整和系统的安全要求,包括在电安全、环境安全、保护电路及系统保护电路等方面,能够尽可能的排除锂电池和电池组在使用过程中存在的安全风险。可预计该标准在整个锂电池行业会产生巨大的影响力。因此,广大锂电池生产厂和便携式电子设备制造商如笔记本、手机、PAD等都应该高度重视该标准,从采购、设计、生产、质控和认证等环节全面评估,满足该标准的全部安全要求,以来自生产领域和流通领域的监督。

参考文献

[1] GB 31241-2014 ,便携式电子产品用锂离子电池和电池组 安全要求[S].
[2] GB/T 18287-2013,移动电话用锂离子蓄电池及蓄电池组总规范[S].
[3] IEC 62133:2012, Secondary cells and batteries containing alkaline or other non-acid electrolytes -Safety requirements for portable sealed secondary cells,and for batteries made from them, for use in portable applications[S].
[4] UN 38.3 ,关于危险品货物运输的建议书 试验和标准手册[S]. 
 

 

 
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